“双碳”目标背景下太阳能电池技术课程教学改革与探索

［摘 要］随着碳达峰和碳中和——“双碳”目标的推进，经济社会发展正朝着绿色低碳方向迈进，这将进一步促进太阳能电池技术的发展及其产业应用，同时必将加剧光伏产业对专业人才的迫切需求。文章旨在探讨“双碳”目标背景下太阳能电池技术课程的教学现状和存在问题，并从课程内容及思政元素、教学方法和考核方式等方面提出教学改革措施，以提高课程教学水平和课堂授课质量，有效提升学生学习效果，满足培养碳中和科技创新人才的需求。

［关键词］“双碳”目标；太阳能电池技术；思政元素；虚拟仿真；教学改革

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）19-0045-05

在全球气候变化问题日益严峻的背景下，世界各国正积极采取措施以减少二氧化碳的排放。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论中提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。在这一背景下，太阳能电池技术作为具有代表性的新能源技术，其发展和应用具有极其重要的现实意义和经济价值。

太阳能电池是基于光伏效应，通过将光能转换为电能的。如图1所示，单晶硅太阳能电池的工作原理主要包括光子的吸收、激子的产生、激子的分离、载流子的传输和载流子的收集。与传统的化石能源相比，太阳能电池技术是一种绿色、可再生的能源技术，不会产生温室气体，可以有效地减少碳排放，是实现“双碳”目标的理想方案之一。因此，对太阳能电池技术的学习也越来越受到人们的重视。国内外高校与科研机构都开展了针对太阳能电池技术及材料的教学与科学研究工作，以提高学生对太阳能电池技术的认识和理解，培养学生对可再生能源的重视，这为太阳能电池技术的进一步发展提供了技术支持和人才保障[1-2]。笔者所在的南京邮电大学为化学、材料科学、电子信息和光学工程等专业的研究生设置了太阳能电池技术专业课，课程总计32学时，2学分。该课程旨在让学生掌握太阳能电池的基本工作原理和器件设计，结合目前采用的电池制造工艺，以及在应用这些电池的系统设计中的重要考虑，使学生对太阳能电池有全面的了解，并为学生日后从事太阳能电池技术、材料研究及其系统应用等工作打下扎实基础。在实际教学过程中，该课程对学生的学科基础知识掌握程度要求较高。课程内容较为复杂，且学术性和产业性并重，存在学生学习难度较大、理解不够深入、缺乏学习兴趣等问题。本文以“双碳”目标为时代背景，针对太阳能电池技术课程教学现状与存在的问题，提出相关改革措施，旨在激发学生学习兴趣，提升课程教学质量。

一、太阳能电池技术课程教学现状与存在的问题

太阳能电池技术课程是笔者所在学校的研究生专业限选课，一般在研究生第二学期开设。在当前的教学环境下，该课程教学现状与存在的问题主要表现在以下几个方面。如图2所示，首先，该课程涉及多个学科领域，教学内容概念繁多，学生在理解和掌握上存在一定困难。因此，教师需要巧妙地将这些知识点有机结合起来，帮助学生更好地理解和掌握课程内容。同时，由于太阳能电池技术是学术界和产业界研究的热点，且在不断发展，教师需要不断更新教学内容，确保学生所学紧跟光伏产业发展和学术研究前沿。其次，当前的教学形式比较单一，缺乏足够的互动和实践环节，因此部分学生的兴趣和参与度不高。太阳能电池技术是一门专业性、实践性很强的课程，教师需要通过材料展示、器件制作实验、样品展示和视频动画演示等多种方式，帮助学生更好地理解课程内容。同时，在当前的实际应用环境下，太阳能电池技术已成为一种极为重要的新能源技术，行业企业的经验对于课程教学来说具有重要的参考价值，但目前多由专职教师进行太阳能电池技术课程教学，缺乏行业企业教师的参与。最后，考核方式比较单一。当前的太阳能电池技术课程采用的是传统的闭卷考试方式，这种方式很难全面评估学生的综合能力和实际应用能力。

为了解决上述问题，笔者从课程内容及思政元素、教学方法和考核方式等方面进行改革探索。这些改革措施旨在更有效地提升课程教学效果，提升学生对课程知识点、产业发展和研究前沿的认知水平，并有助于实现“双碳”目标背景下光伏产业领域高质量创新人才培养目标。

[[]][多管齐下强化互动 ][添补邀请产业教师 ][过程考核综合评价 ][优化升级教学内容 ][传统课堂，缺乏产教融合 ][考核单一，未能有效评价 ][互动不足，教学形式单调 ][概念繁多，紧跟研究前沿 ][以教学难点为突破口 ]

图2 太阳能电池技术课程教学存在问题与改革实践措施

二、紧跟研究前沿，优化升级课程内容

目前，该课程普遍使用的教材是2010年出版，由林洛编著、狄大卫等人翻译的《太阳能电池工作原理、技术和系统应用》。随着科技的进步和人们对可再生能源的需求不断增加，太阳能电池技术正处于快速发展阶段。在这个过程中，太阳能电池材料和技术也在不断更新换代，因而该书作为单一教材难免存在一些不足。主要表现为该教材内容比较静态，主要涵盖了太阳能电池技术的基础理论、制造工艺和系统应用等方面的知识，但由于太阳能电池材料及技术的快速发展，该书缺乏对新兴技术和材料的介绍与讨论。例如，随着钙钛矿太阳能电池的崛起，人们对其优异的光电转换性能和稳定性进行了深入研究，这种新型太阳能电池已经成为该领域的研究热点。然而，该教材并未涉及钙钛矿等新型太阳能电池介绍的内容。此外，即使是单晶硅和多晶硅太阳能电池，也存在技术工艺的推陈出新。因此，在进行课程教学改革时，需要在该教材的基础上对课程内容进行优化升级。

首先，需要更新有关太阳能电池材料的介绍。多晶硅、单晶硅等材料曾是太阳能电池的主流，但随着对新型太阳能电池材料的研究和应用的进一步发展，有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、柔性太阳能电池等光伏材料逐渐兴起甚至实现了部分产业化。因此，需要增加对这些新型太阳能电池材料及技术的介绍内容，让学生对太阳能电池技术的最新发展有更深入的了解。其次，需要对最新的太阳能电池制造工艺进行介绍。随着制造工艺的改进，太阳能电池的转换效率不断提高，制造成本也逐渐下降。因此，需要增加对最新太阳能电池制造工艺的介绍内容，如异质结电池（HJT）、隧穿氧化层钝化接触电池（TOPcon）等技术，使学生了解最新的制造技术。最后，需要对课程中的太阳能电池系统等内容进行更新。在过去，太阳能电池系统通常是独立的，但随着技术的进步，太阳能电池系统可以与其他能源系统进行联网，形成更加智能化且高效的能源系统。因此，需要增加对这些新型太阳能电池系统的介绍内容，包括太阳能电池与储能系统、微电网等的联网应用等，让学生了解最新的太阳能电池系统技术及其应用。

与此同时，教师还应积极挖掘课程思政内容并将其融入课程教学，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。例如，在讲授绪论部分，引导学生认识能源结构的战略调整对国家的重要性，从而理解太阳能在我国新能源战略中的关键地位，使学生增强对课程学习与国家产业发展紧密相连的认识；在讲授太阳能的利用时，引用《淮南子》中记载的“阳燧取火”，体现先辈的聪明才智；在讲授解硅基太阳能电池和有机太阳能电池时，分别以隆基绿能科技股份有限公司和北京大学占肖卫教授的非富勒烯受体ITIC为例，强调太阳能电池技术对于我国绿色发展战略的重要意义，并助力学生领悟作为新时代青年，他们肩负着推动国家绿色发展的责任。通过课程思政，教导学生学以致用、“甘坐冷板凳”等，投身国家可持续发展事业，以实际行动贡献自己的青春力量，共同筑梦绿色发展未来。

三、探索虚实融合，多种教学手段并举

在课程教学中，教学方法的改革可以有效地提高学生的学习积极性和学习效果，促进学生创新思维和实践能力的发展，因而具有重要的现实意义。目前，太阳能电池技术课程的教学方法主要是基于传统的课堂教学模式。这种教学模式主要存在三个方面的不足。第一，理论与实践脱节。目前该课程教学重视理论知识的传授，忽略了实践操作环节。学生只能在课堂上听教师讲述理论知识，缺乏实际操作经验，这使得学生难以将所学的光伏理论知识应用到实践中，造成理论与实践脱节。第二，教学方式单一。目前课程的教学方式主要以传统的面授为主，缺少多元化的教学方式。这种教学方式不能有效激发学生的学习兴趣，课堂上可能出现“台上天花乱坠、台下一片大睡”的问题，学生缺乏对课程的探究和深入理解。第三，师资力量不足。该课程应用实践性强，需要对光伏产业和企业有深入了解或相关工作经验的师资来保证教学的质量与效果。目前，师资力量明显不足，导致教学质量欠佳。由此可见，这种“以书本为中心、以课堂为中心、以教师为中心”的教学模式显然已不能有效满足人才培养需求，教学方法的改进势在必行。

为了弥补该课程现有教学方法的不足，笔者通过多种方式多管齐下提升教学效果，以便更好地适应时代的需求，提升学生的学习效果和能力，具体改进措施有以下几个方面。

第一，强化实践教学。太阳能电池技术是一门实践性很强的课程，需要学生掌握实际操作技能。要强化课程教学的实践性，通过实践教学培育学生严谨的科学态度、良好的实验操作习惯和敏锐的科学思维，锻炼学生发现、分析和解决问题的能力。因此，在教学过程中应加强实践教学，为学生提供充足的实践机会，让他们亲身体验太阳能电池尤其是新型太阳能电池材料和器件的制备，增强他们的实践能力和创新意识。可以让学生有目的地选择笔者所在学院开设的新能源器件综合开放实验课程进行学习，课程包括钙钛矿太阳能电池的制备、染料敏化太阳能的制备、太阳能电池光伏性能测试与分析等内容。此外，应紧跟数字化信息潮流，利用现代化的教学工具和智能技术辅助课程教学。其中，虚拟仿真实验就是一种非常好的教学方式，利用国家虚拟仿真实验教学课程共享平台中有关太阳能电池的项目开展教学，可以起到虚实结合、以虚补实的教学效果。在教学中，笔者将虚拟仿真技术引入该课程教学实践，如图3所示。

第二，丰富教学形式。可以采用启发式教学方法，以学生为中心，激发学生的学习兴趣和创造力，培养他们的独立思考能力。让学生自主探究太阳能电池的工作原理、设计授课方案、解决实际问题等，从而提高学生的学习热情和积极性。同时，增强课程教学互动，太阳能电池技术课程内容较为抽象，可以借助互动性教学方法来提高学生的参与度和理解度。教师可以采用翻转课堂的形式，让学生主导部分课程教学，激发学生主观能动性，提升学生对知识的检索、消化等能力。

第三，提升教学水平。教师应加强对太阳能电池技术的学习研究，不断更新教学内容，掌握前沿的光伏知识和行业动态，为学生提供更全面、深入的知识。同时，教师应采用多种教学手段，包括讲解、案例分析、实验设计、项目研究等，以满足不同学生的需求，增强教学效果。此外，可以邀请光伏产业教师讲解部分相关内容。通过产业技术人员的讲解，使学生深入了解太阳能电池技术的发展历程、现状和未来，激发他们的学习热情和创新思维，促进产教融合，为太阳能电池领域人才培养和发展注入新的活力与动力[3]。

四、多样化过程评价，真实反映学生水平

当前，太阳能电池技术课程的考核方式主要是闭卷考试。这种考核方式无法全面评估学生的学习水平，闭卷考试更注重学生的知识记忆能力，而对学生的实践能力和创新能力的评估相对较少。同时，闭卷考试往往只考查课内知识，而忽视了学生在课外积累的经验和知识，学生的课外积累得不到充分考虑。为了解决上述问题，可以采取以下改革措施。首先，将闭卷考试改为半开卷考试，允许学生携带一定数量的课程资料，重点考查学生的知识掌握水平、实践能力和创新能力，而不是对知识的记忆能力。其次，提高课程作业成绩和课堂表现在总评成绩中的占比。课程作业尤其是课堂作业成绩能有效体现学生对章节内容掌握的情况，是总评成绩的重要组成部分。活跃的课堂氛围会增强学生与教师之间的互动交流，学生会对教师的授课内容更感兴趣，高质量的课堂表现有助于促进学生独立思考和提升学生学习效果。另外，小组讨论考核也是一种重要的评价方式。通过小组讨论考核，可以提高学生的团队合作能力和语言表达能力，让学生在协作中提高个人的能力。可以将小组讨论的结果作为一部分成绩，同时在小组讨论中也可以考查学生的创新思维。

笔者构建了多样化的过程评价体系，在教与学两方面注重把“过程”与“结果”有机地结合起来[4] 。通过多样化的过程性评价，可以全面考查学生的自主学习、理解记忆、实践操作、团队合作、口头及书面表达、分析及解决问题的能力，从而在潜移默化中促进学生综合能力的提升。如图4所示，笔者将从四个方面进行尝试性改革[5-6]。第一，平时作业。在课程教学过程中适当布置作业，考查学生对课程知识点的理解和应用情况，检测他们对专业知识的记忆和理解水平，该部分成绩占总成绩的20%。第二，课堂发言与提问。在课堂进行提问，要求学生发表自己的看法和见解，这有利于在课堂上充分调动学生的积极性，根据课堂发言与问题回答情况对学生进行考核，该部分成绩占总成绩的15%。第三，小组讨论汇报。让学生根据所学知识及对光伏企业等产业发展情况的了解，自由选择课题。根据课题情况，各小组分别对光伏企业的优势和不足等进行调研，在课堂上对调研结果进行讲解，其他小组学生与教师共同对讲解情况进行评分，该部分成绩占总成绩的15%。第四，期末考试。教师结合课程教学基本内容和光伏领域最新发展，选取当前几种主流的太阳能电池技术、原理及其应用等内容，提前将相关内容发布给学生，让学生做好期末考试准备。考试时，允许学生将一定数量的纸质资料带入考场，该部分成绩占总成绩的50%。

五、结语

太阳能电池技术是化学、材料、电子信息等专业的重要专业课程，同时与这些专业学生的研究方向或未来就业密切相关。在“双碳”目标背景下，社会经济发展对光伏产业领域人才的需求日益增加，本课程的教学内容与方式应不断改革创新。针对本课程存在r 概念繁多、教学方式单一、考核方式单一等问题，本文提出了针对课程内容及思政元素、教学方法和考核方式的系列改革措施，包括引入科学前沿内容和思政元素、建设虚拟仿真平台、采用启发式教学方法、产业教师授课等，并构建多样化过程评价体系，以提高学生对太阳能电池材料、技术及其应用的学习兴趣，提升学生学术素养、创新意识、实践能力和团队合作能力，从而达到培养具备碳中和科技创新能力的专业技术人才的目的。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 罗文，钱艳楠，王文广.新能源背景下《太阳能电池》课程理论和实践教学改革研究[J].云南化工，2020，47（5）：178-180.

[2］ 宋健，朱磊，顾修全，等.特殊时期下“太阳能电池材料与器件”课程在线教学与改革[J].科教导刊（上旬刊），2020（25）：132-133.

[3］ 邱琳，陈文璨，冯妍卉，等.机械专业热工学课程产学研用协同育人模式的探索[J].高等工程教育研究，2019（增刊1）：276-279．

[4］ 冯全友，解令海.《有机功能材料与器件》课程教学改革初探[J].科技视界，2018（9）：159-160.

[5］ 张肖，孙冬兰，陈京，等.基于以学生为中心的新能源材料课程建设与教学改革探索[J].中国轻工教育，2022，25（6）：83-89.

[6］ 陈小随.材料结构与性能课程线上线下混合式教学改革初探[J].大学教育，2024（1）：41-45.

［责任编辑：苏祎颖］